Introduction à l’optique cohérente

Développement de l’optique cohérente

Le développement de l’optique cohérente doit être mentionné à partir de l’émergence et du développement de la communication par fibre optique. Le début de la communication par fibre optique remonte à 1966, lorsque Charles K. Kao, le père des communications par fibre optique, a proposé la fibre de verre de quartz comme support de transmission, ainsi 

poser les bases du système de communication par fibre optique à haut débit.

Et depuis les années 1980, la communication optique a connu un développement explosif grâce à la réduction des pertes dans les fibres et au développement continu des composants de communication optique tels que les lasers à semi-conducteurs et les photodétecteurs.

Au début des années 1990, l’invention la plus importante du système de communication optique est l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA), qui peut amplifier le signal au niveau du relais ou de l’extrémité de réception, jetant ainsi les bases de la communication optique longue distance. Jusqu’à aujourd’hui, l’EDFA est toujours reconnu comme la technologie d’amplificateur optique la plus largement utilisée et la plus fiable. À peu près à la même période, la technologie de multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM) a également été développée ; elle exploite pleinement la région de faible absorption de la fibre, augmentant considérablement la capacité de transmission des communications optiques. 

Basé sur la combinaison des technologies EDFA et DWDM, le système optique à modulation d’intensité/détection directe (IM/DD) était largement utilisé. L’IM/DD offre une solution peu coûteuse et simple pour la transmission par fibre optique de grande capacité et longue distance, de sorte que l’optique cohérente a progressé lentement pendant un certain temps, en raison de son coût élevé et de ses technologies complexes.

Après l’entrée dans le 21e siècle, avec la forte augmentation du trafic réseau, le système de communication optique a des exigences plus élevées en matière de capacité et de qualité de transmission. Les technologies EDFA et WDM étant limitées, les prestataires de services de communication optique doivent de toute urgence trouver de nouvelles percées technologiques pour améliorer la capacité de transmission. Pour répondre à ces exigences, le système de communication optique doit encore surmonter l’effet de dispersion de la fibre, améliorer la capacité de transmission dans une bande passante limitée et accroître la sensibilité du récepteur afin d’atteindre une plus grande distance de transmission. Par conséquent, la technologie optique cohérente entre dans une phase de développement rapide. Comparé au système optique IM/DD traditionnel, le système de communication optique cohérent présente les avantages d’une sensibilité élevée, d’une longue distance de transmission et d’une grande capacité de communication. La technologie cohérente porte la capacité de transmission du système de communication optique à un niveau supérieur.

Définition de l’optique cohérente

L’optique cohérente utilise une modulation cohérente côté émetteur et une technologie de détection cohérente côté récepteur. Par rapport au système de communication IM/DD conventionnel, la communication optique cohérente permet une distance de transmission plus longue et une meilleure qualité de communication.

La figure suivante montre le principe de fonctionnement de base de la communication optique cohérente. Au niveau de l’émetteur, grâce à une modulation externe, le signal est modulé sur la porteuse optique sous forme de modulation d’amplitude, de modulation de phase ou de modulation de fréquence, puis envoyé. Au niveau du récepteur, le signal est mélangé avec l’oscillation locale (signal optique généré par l’oscillateur optique local) sur le mélangeur optique, puis détecté sur un détecteur équilibré. Enfin, le signal est traité par traitement numérique du signal (DSP) et émis.

Principe de fonctionnement de la communication optique cohérente

Le tableau suivant résume les principales différences entre l’optique non cohérente et l’optique cohérente.

Optiques cohérentes vs non cohérentes

Avantages de l’optique cohérente

• Améliore la sensibilité du récepteur. Dans le système de communication optique cohérente, le photocourant de sortie après mélange cohérent est proportionnel au produit de la puissance optique du signal et de la puissance optique de l’oscillateur local. Comme la puissance de l’oscillateur local est bien supérieure à celle de la lumière du signal, le photocourant de sortie augmente considérablement, et la sensibilité de détection augmente en conséquence. Dans les mêmes conditions, par rapport à la communication optique incohérente traditionnelle, le récepteur de communication optique cohérente peut améliorer la sensibilité de 20 dB, soit une amélioration équivalente à 100 fois celle de la communication optique incohérente traditionnelle.

• Permet une distance de transmission plus longue. La sensibilité améliorée du récepteur permet d’augmenter la distance de transmission sans relais de dizaines de kilomètres à des milliers de kilomètres.

• Plusieurs types de modulation. Dans les systèmes traditionnels de communication optique, il n’existe qu’un seul format de modulation : la modulation d’intensité. Cependant, dans la communication optique cohérente, outre la modulation d’amplitude, PSK, DPSK, QAM, etc. peuvent également être utilisés, ce qui apporte de la flexibilité aux applications. De plus, le récepteur optique traditionnel ne réagit qu’aux variations de puissance optique, tandis que la détection cohérente peut détecter toutes les informations portées par l’amplitude, la fréquence, la phase et l’état de polarisation. 

• Technologie DSP puissante. La technologie cohérente utilise le traitement numérique du signal (DSP) pour équilibrer et compenser la dispersion, la dispersion modale de polarisation (PMD) et les effets non linéaires de la ligne de fibre optique, ainsi que pour améliorer la tolérance à la dispersion de la ligne et la tolérance des filtres ROADM afin de minimiser le relayage dans la transmission à très longue distance.

Technologie optique cohérente

Les principaux attributs de la technologie optique cohérente comprennent :

• Technologie de modulation externe : Lorsqu’un certain paramètre de la porteuse optique du laser à semi-conducteur est directement modulé, il y aura toujours une oscillation parasite affectant d’autres paramètres. Par exemple, la modulation directe ASK s’accompagne d’un changement de phase, et la profondeur de modulation sera limitée. Par conséquent, dans le système de communication optique cohérente, à l’exception du FSK, qui peut utiliser un courant d’injection direct pour la modulation de fréquence, toutes les autres méthodes utilisent une modulation optique externe.

• Technologie de maintien de polarisation : Afin d’obtenir un bon effet de mélange et d’améliorer la sensibilité de réception, le système de communication optique cohérente exige que la lumière du signal et l’oscillateur local aient la même direction de polarisation. Après une transmission longue distance via une fibre monomode, l’état de polarisation est aléatoire. Par conséquent, de nombreuses méthodes de contrôle de la polarisation ont été proposées, telles que la fibre à maintien de polarisation, le contrôleur de polarisation et la réception à diversité de polarisation.

• Technologie de maintien de la fréquence : Dans la communication optique cohérente, la stabilité en fréquence des lasers à semi-conducteurs est très importante. La fréquence du laser est très sensible aux variations de la température de fonctionnement et du courant. Si la fréquence du laser dérive selon les différentes conditions de fonctionnement, cela affectera le courant IF et augmentera ainsi le taux d’erreurs binaires.

• Technologie de compression du spectre : La largeur spectrale de la source lumineuse est également très importante dans les communications optiques cohérentes. Pour surmonter l'influence du bruit FM sur la sensibilité du récepteur, il est nécessaire de garantir une largeur de raie étroite des ondes lumineuses. Plus la largeur de raie est étroite, plus le bruit de phase causé par le déphasage est faible.

Émetteur-récepteur optique cohérent

Les émetteurs-récepteurs optiques cohérents constituent la principale solution pour les réseaux dorsaux longue distance et les réseaux métropolitains (MAN). Au tout début, les émetteurs-récepteurs optiques cohérents ont adopté le format CFP, également appelé CFP-DCO (digital coherent optics). L’émetteur-récepteur cohérent CFP-DCO mesure 82mm de large et sa consommation maximale atteint 24W. Cependant, une faible consommation, un format compact, un débit de données plus élevé et un faible coût sont toujours les objectifs des communications optiques ; c’est ainsi que l’émetteur-récepteur optique cohérent CFP2 s’est développé, également appelé CFP2-ACO (analog coherent optics). Il mesure 41.5m de large et sa consommation électrique maximale est de 12W. Rien n’arrête le progrès technologique. Ces dernières années, des formats plus compacts, plus rapides et à plus faible consommation ont été introduits, tels que 400G OSFP DCO et QSFP-DD DCO, comme le montre la figure suivante.

En résumé, la tendance de développement des modules optiques cohérents peut être résumée comme suit.

• Haut débit : De 100G/200g à 400G, voire 800G.

• Miniaturisation : de 100G MSA à CFP/CFP2DCO/ACO. Aujourd’hui, 400G OSFP DCO et QSFP-DD DCO sont également introduits.

• Faible consommation d’énergie : Compte tenu des exigences de consommation électrique de l’ensemble du système, par exemple, la consommation électrique des produits de modules optiques cohérents au format QSFP-DD a été maintenue à moins de 15W.

• Standardisation et interconnexion : Traditionnellement, divers fabricants d’équipements utilisent leurs propres cartes d’interface spéciales développées en interne ainsi que des méthodes de modulation d’ordre élevé et des algorithmes FEC propriétaires, ce qui empêche l’interconnexion des interfaces de différents fabricants. L’interconnexion des modules optiques cohérents est l’orientation future du secteur.

Les modules optiques cohérents connaîtront une croissance fulgurante au cours des prochaines années. QSFPTEK peut fournir des solutions et des émetteurs-récepteurs optiques cohérents ; nous vous invitons à visiter www.qsfptek.com et à contacter le support technique de QSFPTEK.